Металлургия меди, никеля и проектирование цехов. Раздел : анализ способов переработки никелевых руд

АННОТАЦИЯ 

В учебном пособии содержится информация об истории 
развития никелевой подотрасли. Рассмотрены различные виды 
никелевого сырья. Описаны способы переработки окисленных 
никелевых руд, приведены технологические показатели работы 
отечественных и зарубежных предприятий. 

© Московский государственный 
институт стали и сплавов 
(Технологический 
университет) (МИСиС) 1999 

МАЛЕВСКИЙ Алексей Андреевич 

МЕТАЛЛУРГИЯ МЕДИ, НИКЕЛЯ И 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦЕХОВ 

Раздел: Анализ способов переработки никелевых руд 

Учебное пособие 

Редактор Преображенская Г.Б. 
Рецензент доц. Педос С.И. (МИСиС) 

Объем 37 стр. 
Тираж 50 экз. 

Заказ 
Цена “С” 
Регистрационный № 081 

Московский государственный институт стали и сплавов, 
117936 Москва, Ленинский пр-т, 4 
Типография МИСиС, ул. Орджоникидзе, 8/9 

СОДЕРЖАНИЕ 

Введение 
4 

1. Историческая справка 
5 

2. Сырье для получения никеля 
7 

3. Анализ существующих и предлагаемых способов 
переработки окисленных никелевых руд 
16 

3.1. Шахтная плавка 
16 

3.2. Доменная плавка 
18 

3.3. Плавка в электропечах 
19 

3.4. Кричный процесс 
26 

3.5. Плавка в печи с погруженным факелом 
27 

3.6. Гидрометаллургические способы переработки 
29 

3.7. Методы обогащения 
33 

Заключение 
36 

Литература 
37 

3 

Малевский А.А. 

ВВЕДЕНИЕ 

Никелевая промышленность, возникшая только в конце XIX столетия, 
сейчас является одной из крупнейших подотраслей цветной металлургии. По 
объему производства и потребления никель занимает пятое место среди 
цветных металлов. 

С момента возникновения металлургии существуют два самостоятельных 
технологических направления. Это связано с использованием двух типов 
руд – сульфидных медно-никелевых и окисленных (силикатных) никелевых, 
которые различаются по химическому составу и физическим свойствам. 

За рубежом производство никеля сосредоточено в руках нескольких монополий, крупнейшей из которых является Интернациональная никелевая 
компания (ИНКО). Большинство предприятий этой компании расположены 
в Канаде и производят около 50 % общего выпуска никеля. Кроме Канады, 
основными зарубежными производителями никеля являются: Новая Каледония (20 %), Япония и Австралия (по 5 %), Гватемала, Куба, Доминиканская 
Республика, США (по 3 %), Филиппины, Индонезия, ЮАР, Венесуэла, Замбия, Греция, Бразилия, Финляндия, Бирма, Морокко, Южная Корея. Из 
крупных производителей никеля только Канада и Австралия перерабатывают сульфидные руды. Вместе с тем в мировом производстве на долю никеля, 
получаемого из окисленных руд приходится ≤ 35...40 %. Опережающее развитие добычи и переработки сульфидных руд связано с тем, что помимо 
меди и никеля, из сульфидных руд извлекают ряд других ценных компонентов – кобальт, редкие и благородные металлы, платиноиды, серу. Из окисленных руд, помимо никеля, возможно извлечение только кобальта и железа. Сульфидные руды легко поддаются обогащению и в металлургический 
передел поступают достаточно богатые концентраты. Приемлемых для промышленности методов обогащения окисленных руд пока не найдено. 

В то же время, по современным оценкам, в балансовых рудах силикатных месторождений находится около 80 % общих разведанных запасов никеля. Месторождения окисленных руд, как правило, очень крупные и их 
добыча значительно дешевле, чем сульфидных. В связи с этим можно ожидать, что доля никеля, получаемого из окисленных руд, будет постоянно 
возрастать. 

В начале 90-х годов наметился спад производства никеля (особенно в 
России). Однако к 1994 г. он остановился, и в последние 2-3 года наблюдатся подъем. В 1991 г. в мире было произведено 920 тыс. т. никеля, в том числе: в Америке 210, Азии 170, Европе 130, Австралии и Океании 85, Африке 
45, в России и странах СНГ 280 тыс. т. 

4 

Металлургия меди, никеля и проектирование цехов 

1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА 

Впервые как химический элемент никель был открыт в 1751 г., а в чистом виде выделен в 1804 г. Но первые сведения о сплаве, содержащем никель – “пактонге”, относятся к третьему веку до нашей эры. Вероятнее всего, 
этот сплав завезен в Европу из Китая или Бактрии1, где из него чеканили 
монеты. 

Название “никель” на всех языках звучит одинаково. Существует легенда, что металл назван в честь гнома – “Старого Ника”, который в Саксонии 
подменил хорошую медную руду негодной, оказавшейся никелевой. 

До середины XIX века получение никеля было основано на кустарной 
технике маленьких заводиков, и до 1874 г. никель рассматривался как металл для изготовления ювелирных сплавов. Широкое развитие никелевой 
промышленности связано с открытием крупных месторождений окисленных 
никелевых руд в Новой Каледонии (1865 г.). Руду начали ввозить в Европу, 
где был разработан метод плавки на штейн в смеси с гипсом в ватержакете 
(шахтная плавка). Этот метод в основных чертах сохранился до настоящего 
времени. 

Приблизительно в то же время В Канаде были открыты крупные месторождения сульфидных медно-никелевых руд. В 1850 г. компанией Фальконбридж и в 1988 г. ИНКО были пущены никелевые заводы в Норвегии (Эвие) 
и в Канаде (Коппер-Клифф), перерабатывающие сульфидные медноникелевые руды. С начала ХХ века начинается бурный рост никелевой промышленности. 

В России первое месторождение никелевых руд было открыто на Урале в 
1854 г. На базе этих руд сначала стали получать никелевый чугун (содержащий 20 % никеля), а затем никель. Первым в России в 1933 г. был пущен 
Уфалейский никелевый завод. В основу его проекта была положена “французская” технология, применяемая в то время на новокаледонских заводах: 
сушка и брикетирование руды, плавка брикетов с гипсом и известняком на 
роштейн (никелевый штейн), продувка в конвертере на файнштейн, обжиг 
файнштейна намертво, смешение закиси никеля с мукой и прессование брикетов (цилиндриков), прокаливание их в ретортах с древесным углем и получение металлического никеля в виде цилиндриков – ронделей. В настоящее время в схему внесено много изменений, но в основном ее характер 
сохранился. 

В 1936 г. начал работать Режский никелевый завод, использующий упрощенную и неполную технологическую схему, а в 1939 г. – Орский завод 
(“Южуралникель”). При проектировании последнего были учтены все достоинства и недостатки работы Уфалейского завода. Была предложена схема, 

1 Государство, расположенное на месте современных среднеазиатских республик. 

5 

Малевский А.А. 

предусматривающая спекание руды на машинах Дуайт-ойда (агломашина), 
плавку агломерата с гипсом или пиритом в ватержакетах, продувку роштейна в конвертерах, обжиг файнштейна в многоподовых печах и плавку оксида 
NiO в электропечах с отливкой никеля в гранулы. Сейчас изменилось аппаратурное оформление отдельных процессов, но в целом технологическая 
схема осталась прежней. 

Три уральских завода получают никель из окисленных никелевых руд. 
Заводы, перерабатывающие сульфидные медно-никелевые руды, в нашей 
стране расположены за полярным кругом. 

Первый из них – ”Североникель” (г. Мончегорск) был пущен в 
1938...1939 г. на базе месторождений Кольского полуострова. Во время второй мировой войны немцы, испытывая острую нужду в никеле, достроили 
никелевый завод в Петсаамо (Финляндия), начатый ИНКО (Канада), (эта 
компания взяла у финского правительства концессию на эксплуатацию месторождений этого района), пустили в ход рудник и наладили выпуск файнштейна. В настоящее время завод Петсаамо (п. Никель) входит в состав 
комбината “Печенга-никель”. На этих двух заводах руду обогащают и плавят в электропечах на штейн, продувают его в конвертерах до медноникелевого файнштейна. Файнштейн первоначально перерабатывали Орфорд-процессом, сейчас – флотацией. Никель получают из концентрата ЦРФ 
(цех разделения файнштейна) по схеме аналогичной получению никеля из 
никелевого файнштейна. Последним в 1942 г. был введен в строй Норильский горно-металлургический комбинат, который в настоящее время является ведущим и самым крупным предприятием никелевой отрасли в нашей 
стране. 

6 

Металлургия меди, никеля и проектирование цехов 

2. СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИКЕЛЯ 

Промышленные никелевые месторождения по условиям образования, 
минералогическому и химическому составу руд подразделяются на сульфидные медно-никелевые и силикатные никелевые. Кроме двух основных 
типов руд известны мышьяковистые кобальтовые никельсодержащие руды, 
которые до открытия крупных месторождений Новой Каледонии широко 
использовались при выплавке никеля. Из-за отсутствия больших месторождений этого типа руд, в настоящее время они не играют почти никакой роли 
в металлургии никеля. Кроме никеля в мышьяковистых рудах содержатся 
кобальт и медь. В небольших количествах их добывают и перерабатывают в 
Канаде (округ Кобальт), Бирме и Туве (“Тувакобальт”). Основными минералами, содержащими никель, являются никелин (купферникель) NiAs и 
хлоанит NiAs2 (белый никелевый колчедан). 

В сульфидных рудах никель присутствует главным образом в виде пентлантида (Ni, Fe)9S8, представляющего собой изоморфную смесь сульфидов 
никеля и железа переменного состава. 

Основным спутником никеля в этих рудах является медь. Кроме того, 
обязательно присутствуют: Co, Au, Ag, Se, Te, S, Fe, металлы платиновой 
группы. При металлургической переработке сульфидных руд извлекают до 
четырнадцати ценных компонентов. 

Запасы сульфидных медно-никелевых руд за рубежом сосредоточены в 
Канаде и Австралии. В нашей стране промышленные месторождения находятся в северных районах – на Таймырском и Кольском полуостровах. Вне 
зависимости от места добычи сульфидные медно-никелевые руды имеют 
сходный химический состав, %: 0,3...5 Ni; 
0,2...2 Cu; 
0,02...0,2 Co; 
30...40 Fe; 17..28 S; 10...30 SiO 2; 5...8 Al 2O 3; 1..10 MgO. 

По структуре медно-никелевые руды бывают сплошные, жильные или 
вкрапленные. Они характеризуются высокой механической прочностью, 
негигроскопичны, могут подвергаться обогащению. Основным способом 
обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация. Флотационное обогащение может быть коллективным и селективным. При коллективной флотации отделяют пустую породу и получают обогащенный 
продукт – медно-никелевый концентрат. Селективная флотация позволяет 
разделить большую часть меди и никеля в самостоятельные концентраты. 
Полного разделения меди и никеля не происходит из-за прорастания минералов меди и никеля. Поэтому никелевый концентрат по существу является 
никелево-медным. 

Иногда флотационному обогащению предшествует магнитная сепарация. 
Вследствии высокой магнитной восприимчивости пирротина, появляется 

7 

Малевский А.А. 

возможность выделения его в самостоятельный концентрат. Составы всех 
концентратов приведены в табл. 2.1. 

Таблица 2.1 

Составы концентратов сульфидных медно-никелевых 
руд, % 

Название 

Пирротиновый 
Коллективный 
Никелевый 
Медный 

Ni 

0,1-ь1,5 
3,6-ь6,5 
6,0-ь11,0 
1,5-ь1,6 

Cu 

0,05-ь0,17 

3,0-ь6,0 
4,0-ь6,0 
25-ь30 

Fe 

55-ь60 
38-ь40 
37-ь40 
40-ь45 

S 

36-ь37 
28-ь30 
25-ь29 
32-ь34 

SiO2 
1-ь3 

22-ь14 
14-ь20 
2-ь4 

На втором по значимости месте стоят месторождения 
никелькобальтовых руд коры выветривания ультраосновных пород – силикатные 
никелевые руды. 

В отличии от сульфидных, окисленные никелевые руды формируются в 
экзогенных условиях в процессе образования так называемой коры выветривания. Выветривание обнаженных на земной поверхности горных пород 
приводит к их физическому и химическому изменению. Твердые породы 
превращаются в рыхлый сыпучий материал, интенсивно идут процессы гидротации, разложения минералов и выщелачивание поверхностными водами 
части компонентов. При выветривании основных горных пород последовательно выносятся кальций, магний, а затем кремний. Железо высвобождается из минералов, окисляется до трехвалентного состояния и накапливается в 
виде различных гидроксидных соединений. (В охристых видах руд содержание оксида трехвалентного железа достигает 70 %). 

Все месторождения окисленных никелевых руд коры выветривания подразделяют на две основные генетические группы: остаточные и инфильтрационные. Каждая из групп имеет более дробное деление на отдельные типы 
в соответствии с геологическими особенностями. 

Месторождения первой группы классифицируются по возрасту и условиям формирования на первичные (раннемезозойские) и преобразованные 
(мезокайнозойские и кайнозойские). Руды месторождений 
этой группы 
характеризуются невысоким содержанием никеля 0,8...1,2 %, распределенного равномерно в пределах рудного тела. 

Ко второй группе относятся месторождения, отличающиеся друг от друга характером инфильтрационных процессов: инфильтрационно-трещенные, 
контактно-карстовые, осадочно-карстовые (депресионные) и остаточно инфильтрационные. Большинство руд местрождений этой группы характеризуются более высоким и крайне неравномерным содержанием никеля. 

В сырьевом аспекте окисленные никелевые руды классифицируют по соотношению основных шлакообразующих компонентов: оксидов кремния, 

8 

Металлургия меди, никеля и проектирование цехов 

магния и железа. Изменения в составе руд по мере развития процесса выветривания показано на даграмме (см. рисунок). Точки, соответствующие составам руд сорока отечественных и зарубежных месторождений, группируются в виде полосы вдоль линии средних составов. В пределах этой полосы 
пунктиром выделены площади, представляющие следующие промышленные 
типы 
руд: 
магнезиальный, 
железисто-магнезиальный, 
железистокремнистый и железистый. В поле руд магнезиального типа размещаются 
точки, соответствующие по составу рудам глиноземисто-магнезиального 
типа. По соотношению основных шлакообразующих оксидов они аналогичны рудам магнезиального типа, но отличаются повышенным содержанием 
глинозема. В этих рудах содержание Al2O3 составляет 11...15 %, в остальных – 4...8 %. Содержание оксида кальция во всех типах руд является величиной довольно постоянной и составляет 1...2 %. Содержание оксида хрома 
обычно не превышает 1,8 %, но иногда достигает 3 %. В табл. 2.2 приведены 
пределы содержаний основных шлакообразующих и ценных компонентов, 
характерных для окисленных руд. 

Рисунок. Диаграмма соотношений Mg:SiO2:Fe2O3 в окисленных никелевых рудах. 

1...5 - типы руд соответственно: 1 - магнезиальный; 2 - глиноземисто-магнезиальный; 
3 - железисто-магнезиальный; 4 - железисто-кремнистый; 5 - железистый; 
6 - средние величины соотношений в отдельных типах руд 

В пределах одного месторождения при полном разрезе коры выветривания присутствуют несколько типов руд - от магнезиальных в нижних горизонтах рудных тел, до железистых на поверхности. Поэтому на перерабатывающие предприятия даже с одного карьера могут поступать руды, очень 
сильно отличающиеся по содержанию шлакообразующих компонентов. 

9 

Малевский А.А. 

Таблица 2.2 

Промышленные типы окисленных руд 

Название 

Магнезиальная 

Глиноземистомагнезиальная 
Железистомагнезиальная 
Железистокремнистая 
Железистая 

Молярные 
соотношения 

SiO2-Fe2O3'MgO 

57:8:35 
62:10:28 

64:16:20 

58:32:10 

29:62:9 

Пределы 
содержания, % 

SiO2 

38-ь48 
38-ь44 

37-ь55 

25-ь40 

5-ь15 

Fe2O3 
13-ь23 
14-ь20 

23-ь30 

30-ь50 

более 
50 

MgO 
до 20 

11-ь20 

6-ь11 

2-ь6 

1-ь3,5 

Среднее 
содержание, % 

Ni 

0,99 
1,57 

1,03 

0,94 

0,87 

Co 

0,037 
0,032 

0,064 

0,072 

0,104 

В окисленных никелевых рудах встречаются минералы, подразделенные 
на 14 групп. 

1. Никелевые силикаты (гарниерит, непуит, ревденскит, никелевые керолиты) – общая формула: 

(Ni, Mg)4...6 [Si4O10] (OH)4...8 
nH2O. 

Обычно они составляют 1...3 % от общей массы руды; содержание в них 
никеля достигает 35 %. 

2. Нонтрониты (монтмориллонит, бейделлит, сапонит) – общая формула: 

(Fe2+, Al, Mg, Ni)2...3 [Si4O10] 
nH2O. 

В сплошных нонтронитовых рудах количество нонтронитов достигает 
70...80 %, в остальных – на уровне 5...10 %. Содержание в них никеля 1...2 %. 

3. Серпентины (первичные: хризотил, сернофит, бастит и вторичные – 
сунгулиты) – общая формула: 

Mg6[Si4O10](OH)8. 

Обычно они составляют 5...10 % от общей массы руды, но в серпентитовых рудах их содержание достигает 50...60 %. Содержание никеля в серпентинах до 0,6 %. 

4. Оксиды и гидроксиды железа (желтые – гетит, гидрогетит, лимонит, и 
красные – магнетит, гематит). Количество гидроксидов железа в железистых рудах достигает 70%, в магнезиальных – порядка 5 %. Желтые – 

10 

Металлургия меди, никеля и проектирование цехов 

более богаты никелем, содержание которого в них достигает 1...1,5 %, в 
красных – 0,3...0,7 %. 

5. Хлориты и гидрохлориты. 
Ортохлориты (магнезиальные): 

(Mg, Al, Fe)6 [(Si, Al)4O10] (OH)8 nH2O, 

лептохлориты (железистые): 

(Fe2+, Fe3+, Al)3 [Si3AlO10] (OH)6 nH2O. 

Лептохлориты встречаются только в депрессионных рудах (до 40...60 % 
от общей массы руды) и отличаются высоким содержанием кобальта. 
Содержание в этих минералах никеля колеблется в очень широких пределах от 1 % до 10...20 %. 

6. Марганцевые минералы 

Перманганаты марганцевой кислоты (Н2MnO3) c катионами Mn3+, Ni, 
Co, Fe являются главными “носителями” кобальта. Общее содержание 
их в рудах 1...3 %. 

7. Минералы свободного кварца (халцедон, кварц, опал) содержат очень 
мало никеля, но в отдельных типах руд составляют до 30...40 %. 

8. Глинистые минералы (каолины Al4[Si4O10] (OH)8, галуазиты 
Al4[Si4O10] (OH)8 nH2O) присутствуют в глиноземистых рудах, их 
содержание достигает 20 %. 

Суммарное количество остальных шести минералов (карбонаты, сульфиды, сульфаты, гидраты магния и алюминия, реликтовые минералы ультраосновных пород) обычно не превышает 2...5 % от общей массы руды. 

Содержание основных минералов в различных типах руд и распределение между ними никеля представлено в табл. 2.3 и 2.4. Как видно из приведенных в таблицах данных, магнезиальные руды являются существенно 
серпентинитовыми. Наиболее типичные месторождения таких руд находятся 
в Новой Каледонии. 

Глиноземисто-магнезиальные – это серпентинитовые руды, имеющие 
карстовые образования глины. 

Железисто-магнезиальные – в основном нонтронитовые руды. В них никель распределен достаточно равномерно, а его содержание колеблется в 
пределах 0,7...1,3 %. Месторождения таких руд находятся в Побужье (Украина), на Южном Урале и Казахстане (Кимперсайская группа месторождений). 

11